Tecnologie all’infrarosso e laboratori latte: le opportunità di una innovazione

/, Ambiente e Management, Ruminantia mensile/Tecnologie all’infrarosso e laboratori latte: le opportunità di una innovazione

Tecnologie all’infrarosso e laboratori latte: le opportunità di una innovazione

Da molti anni il ruolo dei laboratori latte-qualità nel settore lattiero-caseario è di primaria importanza e molte innovazioni della medesima filiera sono sostenute e guidate dalla possibilità di misurare nuovi parametri del latte all’interno dei laboratori stessi. Nell’ultimo decennio è stata svolta un’attività di ricerca sempre più intensa riguardante lo sviluppo di nuove tecnologie, fra le quali la spettroscopia nel medio infrarosso (MIRS), e il loro impiego nei laboratori. Come si evince dalla Figura 1, dal 2009 il numero di pubblicazioni scientifiche che hanno previsto l’impiego della tecnologia MIRS per raccogliere fenotipi del latte è sensibilmente aumentato sia a livello nazionale che internazionale, e proprio presso il Dipartimento di Agronomia Animali Alimenti Risorse Naturali e Ambiente (DAFNAE) dell’Università degli Studi di Padova si ritrova uno dei gruppi più qualificati a livello internazionale su questa tematica, coordinato dal Prof. Massimo De Marchi. La tecnologia MIRS è alla base delle strumentazioni di laboratorio comunemente riferite come MilkoScan, utilizzate nei laboratori dell’Associazione Italiana Allevatori (AIA), degli Istituti Zooprofilattici Sperimentali (IZS) e dei privati, nonché in moltissimi caseifici sia per il controllo del latte in ingresso che per il monitoraggio delle masse in lavorazione. Tradizionalmente, la tecnologia MIRS permette la predizione dei parametri chimici del latte (grasso, proteina, caseina, lattosio) e, più recentemente, di alcuni altri parametri quali il contenuto di urea, la composizione in acidi grassi, la composizione proteica e minerale, e alcune caratteristiche tecnologiche del latte quali, ad esempio, l’attitudine casearia e l’acidità.

Lo sviluppo di un modello di predizione prevede la messa in relazione di un’analisi “reference” o “gold standard” con lo spettro prodotto dallo strumento MIRS. Come esemplificato in Figura 2, lo spettro rappresenta “l’impronta dei legami chimici organici” del latte e negli ultimi anni molti lavori scientifici hanno dimostrato come sia possibile correlare uno o più picchi di assorbimento della radiazione elettromagnetica con costituenti o caratteristiche del latte, o addirittura con alcune caratteristiche dell’animale stesso (es. chetosi, BCS, diagnosi di gravidanza, ingestione alimentare). Proprio queste ultime rappresentano una delle maggiori sfide della tecnologia MIRS applicata al settore lattiero-caseario e della bovinicoltura da latte, che si colloca nell’ampio campo scientifico della cosiddetta “fenomica”. Infatti, le richieste dell’industria lattiero-casearia sono rivolte sempre più ad aspetti qualitativi innovativi del latte, spesso legati ad aspetti funzionali o tecnologici dello stesso; è il caso della determinazione della composizione proteica e minerale del latte, del lattosio, glucosio e galattosio nei prodotti delattosati, della lattoferrina nei latti speciali, quali ad esempio gli “infant formula”, e della composizione proteica e minerale del siero.

A lato di queste richieste, in prevalenza provenienti dall’industria, ve ne sono altre che provengono dal mondo allevatoriale, tecnico e del miglioramento genetico animale, volte alla predizione di fenotipi della bovina quali ad esempio indicatori di dismetabolie, indici di efficienza dei consumi alimentari, indici di sostenibilità ambientale, di benessere e di fertilità, che possono essere utilizzati dagli allevatori nell’ambito dei controlli funzionali come strumento di gestione e miglioramento della mandria e dalle associazioni di razza e centri di FA per il miglioramento genetico delle popolazioni bovine.

Nel corso dell’ultimo convegno scientifico ANALYTICA, tenutosi a Roma il 15 marzo 2018, il Prof. De Marchi ha illustrato le numerose e, talvolta, fantasiose opportunità di sviluppo della tecnologia MIRS. Una sintesi di alcune di queste opportunità è schematizzata in Figura 3. Innumerevoli sono i lavori svolti dal gruppo del Prof. De Marchi, e in collaborazione con enti di ricerca stranieri, sul fronte dello sviluppo di nuovi modelli per la predizione di caratteristiche tecnologiche e funzionali del latte vaccino (es. De Marchi e coll., 2014; Visentin e coll., 2015, 2016; McDermott e coll., 2016a,b). Ricercatori irlandesi (McParland e Berry, 2016) hanno dimostrato come sia possibile predire lo stato energetico e il “residual feed intake” della vacca da latte e come questi fenotipi predetti siano ereditabili e, pertanto, passibili di miglioramento genetico. Alcuni studi condotti in Belgio hanno riguardato la predizione delle emissioni di metano (Vanlierde e coll., 2018) ed altri, condotti in Polonia, hanno investigato la predizione del β-idrossibutirrato (BHB; indicatore della chetosi) nel sangue utilizzando lo spettro MIRS del latte (Belay e coll., 2017). Considerando questi lavori appena citati ed altri che saranno proposti nei prossimi anni, appare evidente la grande potenzialità della tecnologia MIRS, soprattutto per la predizione di alcuni fenotipi della vacca di grande interesse tecnico-manageriale e/o legati ad alcuni concetti di efficienza e sostenibilità dell’allevamento. Da questo punto di vista, va menzionata la potenzialità della tecnologia MIRS di predire alcuni indicatori della chetosi, tra cui il principale è il BHB. La possibilità di identificare la chetosi, soprattutto nella sua forma sub-clinica (asintomatica), utilizzando indicatori predicibili con il MIRS, consentirebbe una gestione più efficiente della fase post-partum della bovina da latte. Da un lato, le attività di ricerca hanno già evidenziato la possibilità di utilizzare il MIRS per uno screening della mandria in azienda, e dall’altro lato stanno dimostrando come, a partire dallo spettro del latte, sia possibile predire indicatori metabolici fra i quali il BHB e gli acidi grassi non esterificati (NEFA) determinati sul sangue dell’animale.

L’ultima frontiera, già da alcuni anni praticata in alcuni laboratori latte-qualità, è quella di stoccare in routine tutti gli spettri derivanti dall’analisi dei campioni sia appartenenti al circuito dei controlli funzionali (singole bovine) che al circuito latte-qualità (latte di massa). Questa gestione delle informazioni spettrali garantisce molti vantaggi per i diversi operatori della filiera lattiero-casearia. I database, infatti, possono essere utilizzati per svolgere delle predizioni su dati storici (spettri MIRS) e possono produrre informazioni utili per: (i) le associazioni di razza che necessitano di fenotipi a livello di singola bovina, (ii) i caseifici che possono valutare l’impatto relativo a nuovi parametri qualità sui loro soci conferenti, ed eventualmente simulare l’inserimento di questi nuovi parametri in sistemi di pagamento latte-qualità, (iii) i laboratori stessi che possono valutare la variabilità e l’impatto dell’introduzione di un nuovo parametro latte-qualità, e (iv) lo svolgimento di attività di ricerca. Tutte queste applicazioni possono essere messe in atto praticamente a costo zero, in quanto, una volta costruito l’archivio storico degli spettri e aver sviluppato, possibilmente nel territorio in cui opera il laboratorio, un modello di predizione MIRS, l’analisi dati risulta essere relativamente semplice.

Le prospettive di sviluppo della tecnologia MIRS sono decisamente ampie e garantiranno nei prossimi anni un ottimo livello di innovazione di tutta la filiera della zootecnia da latte. Tuttavia, alcuni aspetti, che rappresentano ancor oggi dei punti di debolezza per lo sviluppo di queste innovazioni, dovranno essere analizzati e migliorati. Fra questi si possono citare:

  • il ruolo dei laboratori latte-qualità – I laboratori in alcuni casi e negli ultimi anni hanno mostrato alcune difficoltà proprio nella gestione dei nuovi fenotipi. Come menzionato in precedenza, il laboratorio è un elemento fondamentale perché è la struttura che produce il “dato” e proprio per questo motivo rappresenta uno dei punti chiave per l’implementazione di nuovi modelli di predizione. Il laboratorio dovrà sempre più confrontarsi con questi nuovi fenotipi spesso non correlati direttamente a caratteristiche intrinseche della materia prima latte e dovranno, da un lato mettere in atto delle strategie per il controllo dei nuovi fenotipi nella routine di analisi, e dall’altro proporre la loro interpretazione a tecnici, allevatori e, più in generale, operatori della filiera. Proprio su questa sfida i laboratori dovranno porre grande attenzione, impegno e risorse nei prossimi anni. Inoltre, l’implementazione di fenotipi innovativi sta mettendo in evidenza la sempre maggiore necessità di una forte connessione fra i laboratori stessi con l’obiettivo di sviluppare approcci sia nella veicolazione dei nuovi fenotipi che nell’interpretazione degli stessi condivisi e univoci. In merito a questo, la possibilità di condividere e mettere in atto dei protocolli di ring-test rappresenta un punto chiave per la diffusione dell’utilizzo dei nuovi fenotipi;
  • la conoscenza, l’interpretazione e l’implementazione pratica dei nuovi fenotipi – La filiera lattiero-casearia è composta da molteplici attori, talvolta con ruoli non ben definiti, che nei prossimi anni dovranno individuare le migliori modalità per trasferire le conoscenze provenienti sia dal contesto nazionale che internazionale in azioni concrete a beneficio del comparto lattiero-caseario. Queste azioni partono in primis dalla conoscenza delle potenzialità applicative (es. screening) dei modelli di predizione che fondamentalmente sono legate alle accuratezze dei medesimi. In merito a questo, per la maggior parte dei nuovi modelli di predizione le accuratezze sono medie o basse e quindi si traducono in predizioni che spesso possono essere utilizzate o per lo screening delle vacche all’interno della mandria o per la separazione del latte. Un esempio è stato recentemente pubblicato da Manuelian e coll. (2017) in un lavoro svolto in collaborazione tra l’IZS del Lazio e della Tosacana “Mariano Aleandri” (Roma) e il DAFNAE, nel quale è stata evidenziata la possibilità di segregare il latte di massa in ingresso nelle strutture di caseificazione in base alla sua capacità di coagulazione (non coagula, coagula lentamente, coagula mediamente, coagula velocemente) (Figura 4);
  • la ricerca applicata e la divulgazione – In letteratura esistono molte applicazioni della tecnologia MIRS nel settore lattiero-caseario; tuttavia, la maggior parte di queste non ha ancora trovato esempi di implementazione nei laboratori sia pubblici che privati e solo alcune hanno rappresentato una concreta innovazione per il settore. Da questo punto di vista gli enti di ricerca e i diversi stakeholders presenti nelle filiere lattiero-casearie dovranno trovare con maggiore frequenza delle concrete ed efficaci modalità di trasferimento e comunicazione delle innovazioni attraverso, ad esempio, progetti di ricerca che prevedano validazione in campo per i nuovi fenotipi o lo svolgimento di convegni tecnici nei quali presentare, condividere e consolidare le attività di collaborazione fra enti di ricerca e laboratori qualità-latte.

Lo spettro MIRS rappresenterà sempre più una grande opportunità per il settore lattiero-caseario; la possibilità di gestire e utilizzare, praticamente a costo zero, le informazioni che quotidianamente vengono determinate nei laboratori latte-qualità e accuratamente registrate nei diversi punti lungo le lunghezze d’onda dello spettro, potrà fornire fenotipi di grande rilevanza per molti operatori della filiera. L’utilizzo dei nuovi parametri qualitativi del latte e fenotipi legati alla vacca dovrà permettere un miglioramento dell’efficienza della filiera stessa, sia a livello di allevamento che di trasformazione, con l’obiettivo primario di rendere il settore lattiero-caseario italiano competitivo e reattivo alle sfide dei mercati internazionali.

 

Figura 1.  Numero di lavori scientifici pubblicati sulla tematica MIRS e latte (fonte ISI Web of Science; thomsonreuters.com/web-of-science/) (De Marchi e coll., 2014, modificata).

 

Figura 2. Esempio di spettro MIRS (De Marchi e coll., 2009).

 

 

Figura 3. Esemplificazione di alcuni “fenotipi” di interesse nel comparto della vacca da latte.

 

 

Figura 4. Clusterizzazione di campioni di latte bufalino a partire dallo spettro MIRS in relazione alla loro capacità coagulativa: coagulazione rapida (tempo di coagulazione < 10 minuti); coagulazione media (tempo di coagulazione fra 10 e 20 minuti); coagulazione lenta (tempo di coagulazione fra 20 e 30 minuti); non coagulati.

Bibliografia

  • Belay, T.K., B.S. Dagnachew, Z.M. Kowalski, T. Ådnøy. 2017. An attempt at predicting blood β-hydroxybutyrate from Fourier-transform mid-infrared spectra of milk using multivariate mixed models in Polish dairy cattle. Journal of Dairy Science 100:6312-6326.
  • De Marchi, M., C.C. Fagan, C.P. O’Donnell, A. Cecchinato, R. Dal Zotto, M. Cassandro, M. Penasa, G. Bittante. Prediction of coagulation properties, titratable acidity, and pH of bovine milk using mid-infrared spectroscopy. Journal of Dairy Science 92:423–432.
  • De Marchi, M., V. Toffanin, M. Cassandro, M. Penasa. Invited review: Mid-infrared spectroscopy as phenotyping tool for milk traits. Journal of Dairy Science 97:1171–1186.
  • Manuelian, C.L., G. Visentin, C. Boselli, G. Giangolini, M. Cassandro, M. De Marchi. Short communication: Prediction of milk coagulation and acidity traits in Mediterranean buffalo milk using Fourier-transform mid-infrared spectroscopy. Journal of Dairy Science 100:7083–7087.
  • McDermott, A., G. Visentin, M. De Marchi, D.P. Berry, M.A. Fenelon, P.M. O’Connor, O.A. Kenny, S. McParland. 2016a. Prediction of individual milk proteins including free amino acids in bovine milk using mid-infrared spectroscopy and their correlations with milk processing characteristics. Journal of Dairy Science 99:3171–3182.
  • McDermott, A., G. Visentin, S. McParland, D.P. Berry, M.A. Fenelon, M. De Marchi. 2016b. Effectiveness of mid-infrared spectroscopy to predict the color of bovine milk and the relationship between milk color and traditional milk quality traits. Journal of Dairy Science 99:3267-3273.
  • McParland, S., D.P. Berry. 2016. The potential of Fourier transform infrared spectroscopy of milk samples to predict energy intake and efficiency in dairy cows. Journal of Dairy Science 99:4056–4070.
  • Vanlierde, A., H. Soyeurt, N. Gengler, F.G. Colinet, E. Froidmont, M. Kreuzer, F. Grandl, M. Bell, P. Lund, D.W. Olijhoek, M. Eugène, C. Martin, B. Kuhla, F. Dehareng. 2018. Short communication: Development of an equation for estimating methane emissions of dairy cows from milk Fourier transform mid-infrared spectra by using reference data obtained exclusively from respiration chambers. Journal of Dairy Science (in stampa).
  • Visentin, G., A. McDermott, S. McParland, D.P. Berry, O.A. Kenny, A. Brodkorb, M.A. Fenelon, M. De Marchi. 2015. Prediction of bovine milk technological traits from mid-infrared spectroscopy analysis in dairy cows. Journal of Dairy Science 98:6620–6629.
  • Visentin, G., M. Penasa, P. Gottardo, M. Cassandro, M. De Marchi. Predictive ability of mid-infrared spectroscopy for major mineral composition and coagulation traits of bovine milk by using the uninformative variable selection algorithm. Journal of Dairy Science 99:8137–8145.

Autori:

Massimo De Marchi, Martino Cassandro, Mauro Penasa.

Dipartimento di Agronomia Animali Alimenti Risorse Naturali e Ambiente (DAFNAE), Università degli Studi di Padova.

 

 

 

DOI 10.17432/RMT.2016-2507
Print Friendly, PDF & Email

About the Author:

Dipartimento di Agronomia Animali Alimenti Risorse Naturali e Ambiente (DAFNAE), Università degli Studi di Padova. Email: massimo.demarchi@unipd.it

Scrivi un commento